DS/FH混合擴頻接收機解擴及同步技術的FPGA實現

DS/FH混合擴頻接收機解擴及同步技術的FPGA實現

摘要：研究采用編碼擴頻的DS/FH混合擴頻接收機的核心模塊——同步及解擴部分的FPGA實現結構。將多種專用芯片的功能集成在一片大規模FPGA芯片上，實現了接收機的高度集成化、小型化。偽碼的串并混合捕獲算法及跳頻同步算法等均采用硬件完成，提高了捕獲速度。實驗結果證明該方案是正確可行的。

DS/FH混合擴頻通信系統中，需要數據不變頻器、相關累加器及碼發生器等完成下變頻、相關解擴等運算。通常采用專用芯片來完成這些功能，導致系統體積增大，不便于小型化�，F代的EDA（電子設計自動化）工具已突破了早期僅期進行PCB版圖設計或電路功能模擬、純軟件范圍的局限，以最終實現可靠的硬件系統為目標，配置了系統自動設計的全部工具，如各種常用的硬件描述語言平臺VHDL、Verilog HDL、AHDL等；配置了多種能兼容和混合使用的邏輯描述輸入工具，如硬件描述語言文本輸入法（其中包括布爾方程描述方式、原理圖描述方式、狀態圖描述方式等）以及原理圖輸入法、波形輸入法等；同時還配置了高性能的邏輯綜合、優化和仿真模擬工具。FPGA是在PAL、GAL等邏輯器件的基本上發展起來的。與PAL、GAL等相比較，FPGA的規模大，更適合于時序、組合等邏輯電路應用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。FPGA具有可編程性和設計方案容易改動等特點，芯片內部硬件連接關系的描述可以存放在下載芯片中，因而在可編程門陣列芯片及外圍電路保持不動的情況下，更換下載芯片，就能實現新的功能。FPGA芯片及其開發系統問世不久，就受到世界范圍內電子工程設計人員的廣泛關注和普遍歡迎。本文主要討論一種基于編碼擴頻的DS/FH混合擴頻接收機解擴及同步過程的實現結構，采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件及其開發平臺Quartus II實現混合擴頻接收機的核心——解擴及同步模塊。

1 混合擴頻接收機解擴模塊的FPGA設計

解擴模塊是混合擴頻接收機的核心。該模塊實現對接收信號的解擴處理，主要包括數字下變頻器、數控制蕩器（NCO）、碼發生器、相關累加器和偽碼移相電路等，通常各模塊采用專用芯片。利用FPGA將這些功能集成在一塊芯片中，大大縮小了接收機的體積，便于實現系統的小型化和集成化。下面分別介紹該模塊各部分的FPGA實現結構。

1.1 數控振蕩器（NCO）

數控振蕩器是解擴模塊中的重要組成部分，主要用于為碼發生器提供精確的時鐘信號，從而實現對接收信號的捕獲和跟蹤。碼發生器由相位累加器和查找表構成。若使用字長為40位寬的累加器，對于某一頻率控制字A，輸出頻率fout與輸入頻率控制字A的關系為：

fout=fclkA/2 40

其中，fclk為系統時鐘。只要改變控制字A的大小，就可以控制輸出頻率fout。Fout變化的最小步長Δf由累加器的數據寬度決定。若數據寬度取40位，則：

Δf=fclk/2 40

利用上述原理，可以通過精確分頻得到所需頻率。原理圖如圖1所示。

圖1中頻率控制字A由DSP寫入�？紤]到FPGA內部存儲資源限制，取40位相位累加值result[39..0]的高八位作為查找表LUT（look～up table）的輸入，查找表由ROM構成，存儲各相位所對應采樣值。當查找表輸入端為某一相位phase時，則輸出對應采樣值。若輸出數據寬度為6位，輸出信號格式為余弦信號，則LUT輸出為：

out[5..0]=31×cos(360×(phase 0.5)/256)° 32

若取ROM的并行6位out[5..0]作為輸出，則輸出信號為每周期采樣256點的數字化余弦信號；如果取最高位out[5]作為輸出，則輸出為系統時鐘的分頻信號。

1.2 數字下變頻器

數字下變頻器將A/D采樣得到的中頻信號進行下變頻處理，去除中斷，得到基帶信號。利用本地NCO產生與輸入中頻信號的頻率相同的正弦和余弦信號，并與輸入信號進行復乘法運算，然后對運算結果做低通濾波，即可完成對中頻信號的下變頻操作。正交采樣模式下，兩路A/D轉換器提供正交輸入IIN及QIN，數字下變頻器的復乘法器輸出IOUT、QOUT為：

Iout=IINcos(ωt)-Qinsin(ωt)

Qout=IINsin(ωt) Qincos(ωt)

本振信號、復乘法器、低通濾波器均采用數字化設計。數字下變頻器采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件。該器件典型門數為20萬，有豐富的邏輯單元和RAM單元，開發平臺Quartus II自帶的宏模塊，lpm_mult（乘法器宏模塊）、lpm_rom（ROM宏模塊）、lpm_add_sub（加法器宏模塊）等，給設計帶來了極大的方便。數字下變頻器原理圖如圖2所示。

圖2中的數字表示相應模塊的數據寬度。濾波模塊是1個二階的低通濾波器，濾除混頻后的高頻分量。在一些專用的數字下變頻器件中STEL-2130中，濾波器的階數是可編程的，可以根據需要設置不同的階數，從而得到不同的濾波效果�？紤]到FPGA的資源問題，設置濾波器的階數為固定的二階。濾波器輸入x[n]與輸出y[n]關系為：

y[n]=

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